Giáo trình Nguyên lý thông tin tương tự - số (Tái bản lần thứ hai): Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:140

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 cuốn giáo trình "Nguyên lý thông tin tương tự - số" trình bày các nội dung: Tổng quát về hệ thống thông tin, tín hiệu và phổ, thông tin tương tự, xử lý truyền thông tương tự - số. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Nguyên lý thông tin tương tự - số (Tái bản lần thứ hai): Phần 1

ĐẠI HỌC QUỐC G ĨA T P H ồ C H Í M INH TRƯỜNG Đ Ạ I H Ọ C B Á C H K H O A Vữ Đ in h T h àn h GIÁO T R ÌN H NGUYÊN LÝ THÔNG TIN TƯƠNG T ự - SỐ (Tá i b ả n l ầ ỉ U t h ứ ìiai) NHẢ XUẤT B Ả N P Ạ I H Ọ C Q tlổ C G I A TP HÔ C H Í M IN H - 2 0 1 2
• • -• .I GT.03.TH(V) -J55-2012/CXB/150-08 TH.GT.286-12(lf ĐHQG.HCM-12--------- --------- r-——------------------------------------------- :-y
MỤC LỤ C Lời n ó i đ ầ u ............................................................................................................5 C hư ơng 1. T Ổ N G Q U Á T V Ề H Ệ T H Ố N G T H Ô N G T I N ---------------- 7 1.1 Các yếu tố tủa một hệ thống th ô n g t i n .................................................7 1.2 Điều chế và m ã h ó a ..................................................................................12 C hương 2. T Í N H I Ệ U V À P H Ổ ............. ...................................................... 17 2.1 Phổ tuyến tín h và chuỗi F ourier............................................................ 17 2.2 Tích phân fourier và phổ liên t ụ c .........................................................22 2.3 Khối lọc tín hiệu tuyến tín h b ấ t b i ế n .................................................25 2.4 Hàm tương quan và m ậ t độ p h ổ ............................................................27 2.5 Biến ngẫu nhiên và h àm xác s u ấ t ........................................................ 31 2.6 Giá trị thống k ê .............................. ...........................................................33 2.7 Mô hình xác s u ấ t.................. ..... .............................................................. 36 2.7 Tín hiệu ngẫu n hiên và n h i ễ u ............................................................... 39 Bài tập chựơng 2. Tín hiệu và p h ổ ..............................................................47 C hương 3. T H Ô N G T I N T Ư Ơ N G T ự ........................................................51 3.1 Điều chế tuyến t í n h .................................................................................. 51 3.2 Điều chế hàm m ũ ........ ............................................................................. .75 3.3 Hệ thống thông tin tương tự .............................................................'....92 Bài tập chương 3. Thông tin tương t ự ....................................... ............. 106 C hương 4. X Ử L Ý T R U Y Ề N T H Ô N G T Ư Ơ N G T ự - s ố . ................ 108 4.1 Lấy mẫu tín hiệu có băng tầ n giới h ạ n ........................................... 108 4.2 Điều bìẽn xung và ghép kênh th ờ i g i a n ........................................ 111 • 4.3 Băng thông tín hiệu ghép k ên h T D M ............................................. 113 4.4 Phổ của tín hiệu đã lấy m ẫ u ................................................................115 4.5 Lượng tử hóa tín h iệ u ................................. .......................................... 122
4.6 Hệ thống điều chế xung mà (PCM).................................................. 124 4.7 Hệ thống ghép kênh PC M ................................................................. 128 4.8 Điềư chế xung mã vi sai (DPCM)..................................................... 134 4.9 Điều chế Delta (AM)............................................................................136 Chương 5. T H Ô N G T I N s ố .....................................................................138 5.1 Điều chế dịch biên A SK ..................................................................... 139 5.2 Điều chế dịchpha P S K ...................................................................... 142 5.3 Điều chế dịch tần FSK ...................................................................... 167 5.4 Điều biên trực pha QAM.................................................................... 177 5.5 Điều chế dịch pha tối thiểu M SK.....................................................181 5.6 Kỹ thuật điềuchế OFDM..................................................................189 Bài tập chương 5. Thông tin s ố .............................................................. 218 Chương 6. K Ỹ T ắ V Ậ T T R Ả I P H Ổ ........................................................ 220 6.1 Chuỗi tín hiệu nhị Ỹ>hân giả ngẫu nhiên (PR BS)......................... 221 6.2 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tá n phổ trực tiếp ..................225 6.3 Kỹ thuật trải phổ bằng phương ph^p nhảy tần số.......................239 6.4 Hệ thống thông tin MC-CDMA........................................................ 244 Giải bài tậ p c h ư ơ n g 2. T Í N H IỆ U VÀ P H Ổ ......................................255 Giải bài tậ p c h ư ơ n g 3. TH Ô N G T I N TƯƠNG T ự .......................... 268 Giải bài tậ p c h ư ơ n g 5: T H Ô N G T I N S Ô ............................................272 T à i liệu t h a m k h ả o ................................................................................... 277
Lời nói đầu Trong n h ữ n g n ă m qua, kỹ thuật ưiễn thông đã có n h ữ n g bước tiến không n g ừ n g với tốc cĩộ cực nhanh. N hiều kỹ th u ậ t v à c ô n g nghệ m ói đà r a đ ờ i v à sa u dó n h a n h chóng trở nên lạc h ậ u khir những kỹ thuật tiế n bộ hơn, có n h iều ưu điểm hơn lại được p h á t minh ra ngay sau đó. Đơn cử ví d ụ ưề hệ thống diện thoại d i đ ộ n g GSM, được p h á t m i n h vù sử d ụ n g chỉ trong vòng một chục n ă m trở lại đ á y, nay lại trở n ê n n h a n h chóng lạc hậu so ƯỞỈ hệ th ố n g d i đ ộ n g CDMA s ố vừa có s ố k ê n h liên lạc lớn, chất lượng tốt hơn vả k è m th eo nhiều dịch vụ hấp d ẫ n người sử dụng... T rong lĩnh vực đ à o tạo về điện tử viển thông, song song với các : nguyên lý thông tin tương tự hoặc s ố cổ điển dà dược k h a i th á c và nghiên cửu trong n h i ề u giáo trình k in h điển, các tài liệu k ỹ t h u ậ t vẫn p h ả i luôn luôn được cập nliật bởi các nguyôn lý mới về đ i ề u c h ế \ và truyền số, ch ẳ n g h ạ n k ỹ th u ậ t QAM, OFDM, kỹ thuật tr ả i p h ổ ,... Giáo trìn h " N g u y ê n l ý t h ô n g t i n t ư ơ n g t ự • số* được b iê n so ạ n nhầm m ục đích c u n g cấp các kiến thức cơ sở về tín hiệu - p h ổ của các phương thức đ i ề u c h ế cổ điển (điêu ch ế tương tự A M , F M , P M hoặc điều c h ế s ổ A S K , F S K , P SK ) và của các phương thức đ i ề u c h ế I mới (đ iều chịỊ và g h é p k ê n h PCM, đ iều c h ế QAM, M S K ...). N ộ i d u n g của giáo trìn h k h ô n g n h à m p h â n tích kỹ thuật điều c h ế d ư ớ i q u a n I điềm m ạch điện oà các th iế t k ế chi tiết>m à có đ ịn h hướng t ì m r a các mô h ìn h toán học tổ n g q u á t cho các loại tín hiệu và p h ổ trước và sau điều chế, các ảnh h ư ớ n g của nhiễu lên chất lượng thông tin , m ố i liên Ị . quan giữa xác suất t h u sai tín hiệu với tỉ số tín hiệulnhiễu. M ô h ì n h này có t h ể dược s ứ d ụ n g cho nhiều kiểu điều c h ế và g iả i d i ề u c h ế khác n h a u m à k h ô n g l à m thay đổi tính chất tổng quát của p h ư ơ n g ! pháp. ỉ Giáo trìn h có t h ề được s ử d ụ n g là m tài liệu học tập, g i ả n g d ạ y chuyên ngành viễn th ô n g hoặc làm tài liệu cơ sở cho các n g h ièìì cứu f chuyên sâu hơn. G iáo tr ìn h được xu ấ t bản lần đầu tiẽn, có s ự t h a m ị khảo từ nhiều ĩXRiLồ n tài l i ệu k hác n h a u , chắc chắn k h ô ng t r á n h k h ô i » các thiếu sót. Tác g iả lu ô n m ong m uốn tiếp nhận được n h ữ n g p h ả n hồi từ các nhà ch u yên m ô n , n h à nghiên cứu, từ các g iả n g v iê n và ị sinh viên, về nội d u n g và h ìn h thức của giáo trình đ ể có t h ể h i ệ u H chỉnh hoàn thiện hơn trong các lần xuất bần sau. í Ịy •
Tác giở c h â n th à n h cảtn ơn các thầy cô cán bộ giảng dạy Bộ môn Viễn T h ô n g , Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại học Bách Khoa - I ĐHQG T P H C M , đã trợ g iú p nhiều tài liệu và đóng góp công sức cho việc ỉìoàtì th à n h giáo trình này. Địa c h ỉ liên hệ: Bộ m ôn Viễn Thông, Khoa Điện • Điện Từ, : Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TPHCM, số 269 Lý Thường Kiệt Q.10, Đ T: 08.8657296, Email: vdthanh@licmut.èdu.vn. s Ị Ị T á c g iả • PG S-T S V ũ Đ ìn h T h à n h ! Ị
C hương 1 TÔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN Hệ thống thông tin được định nghĩa là hệ thống chuyển tải tin tức từ nguồn p h á t tin đến nơi nhận tin ở m ột khoảng cách nào đó. Nếu khoảng cách thông tin này là lớn so với kích thước cưa th iết bị (cự ly thông tin xa), ta có một hệ thống viễn thông. Hệ thống thông tin có th ể được thực hiện giữa một hay nhiều nguồn phát tin đồng thời đến một hay nhiều nơi n h ận tin, do đó ta có kiểu thông tin một đường, đa đường, phương thức thông tin một chiều, hai chiều hoặc nhiều chiều. Môi trường thồng tin có th ể ở dạng hữu tuyến hoặc vô tuyến, chẳng h ạn dùng dây truyền sóng, cable truyền tin hoặc sóng điện từ vô tuyến. *4 1.1 CÁC YẾU TỐ CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN 2- T in tứ c v à tín h iệ u Tin tức là yếu tô trung tâm của m ột hệ thống thông tin. Mục tiêu của hệ thống lả chuyển tải và tái lập lại tin tức tại nơi n h ận tin sao cho nội dung cùa tin tức là không đổi so với nơi ph át hoặc có th ể hiểu được, chấp n h ận được. Tin tức xuất hiện ở nhiều dạng khác nhau, có thể được chia thành hai loại: dạng tương tự và dạng số. Tin tức dạng tương tự được th ể hiện bằng các đại lượng vật lý biên thiên liên tục và đều đặn theo thời gian, chẳng h ạn tín hiệu âm thanh, hình ảnh, tín hiệu đo lường về n h iệt độ, áp suất,... Tiêu chí quan trọng của hệ thống thông tin tương tự là sự trung thực của tín hiệu tại nơi nhận tin so với nơi ph át tin. Tin tức dạng số được th ế hiện dưới d ạn ,' li.Ịt chuỗi các ký hiệu ítược chọn từ một tập hợp hữu hạn các ký hiệu rời rạc, chăng h ạ n ;
8 ________________________________________________________ CHƯƠNG 1 chuỗi các ký Ví chừ hoặc sô xuât hiện trên m ột văn bán, chuổi các bit luận lý được đọc ra từ một file dừ liệu... Tiêu chí quan trọng của hệ thông thông tin số là độ chinh xác cùa chuỗi ký tự nhận được (hoặc là tị số lỗi bit nhận được) tín h trong m ột khoảng thời gian nhất_định cua quá t rình thông tin.------------------------------------------------ Về m ặt vật lý, tin tức xuất hiện dưới dạng các tín hiệu, thông thường là tín hiệu điện. Trong mô hình hệ thống thông tin ở hình 1.1, tin tức được chuyển đổi thành tín hiệu điện hoặc ngược lại nhờ các cảm biến phát và cám biến thu. H ìn h 1.1 Mô hình hệ thống thông tin Như vậy đối với hệ thông thông tin, tín hiệu vật lý được chuyển Ị tải đi là tín hiệu. ,điện, được xử lý trê n cơ sở các khối mạch điện tử. Các cảm biến pí&t và thu, mặc dù chỉ là phần tử chuyển đổi dạng thức v ậ t lý cưa tin tứ£, nhưng ảnh hưởng r ấ t lớn đến độ trung thực hoăc độ tin cậy của hệ thống th ông tin. Việc k h á o sát các đặc tính phi tuyến hoặc các giới hạn về dải động, dái tầ n số hoạt động,... của các cám biến không nằm trong nội dung trìn h bày của môn học này. 2- S ơ đ ồ k h ố i tổ n g q u á t c ủ a h ệ t h ố n g t h ô n g tin -L -■ ■ .. • -. la iầg &aì H ìn h 1.2 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin Hình 1.2 giđi thiệu một sơ đồ khối tổng quát của một hệ thốngii thông tin, trong đó các tín hiệu p h á t và thu lan truyền trQng môi* trường đều được xem là ở dưới dạng tín hiệu điện (các khối cảm biếạl
tố n g q u a T v ế H Ệ THỐNG THÔNG TIN 9 p h á t v à cảm b iế n thu như ớ h ìn h 1.1 được xem là th ư ậc về nguồn p h á t t i n h o ăc nơi n h ậ n tin). Sơ đồ khôi gồm ba p h ầ n ch ín h : • K h ô i p h á t có chức năng xử lý tín hiệu tin tức v à cung cấp vào m ôi trư ờ n g t h ô n g tin m ột tín hiệu có dạng thức p h ù h ợ p với đác tín h 7 cua m ô i trư ờ n g ,"v ớ i đỉều kiệrrtA-nội đũiYg của tín tứ c được tru y ề n đi k h ô n g t h a y đ Ả Khối p h á t có thế’ gồm các p h ần m á h ó a , điều c h ế và ’i ị k h u ế c h đ ạ i pháv. • M ôi trư ờ n g thông tin là m ột môi trường v ậ t lý cụ th ể , cho p h é p c h u y ể n t ả i tín hiệu từ nơi p h á t đến nơi thu. M ô i trư ờ n g th ô n g tin có t h ể dưới d ạ n g hữu tuyến (dây dẫn điện so n g h à n h , dây cable • tín h iệ u , sợi q uang,...) hoặc có th ể dưới dạng vô tu y ế n (k h ô n g g ia n tự do, c h â n k h ô n g , môi trường ch ất lỏng,...). Môi tr ư ờ n g th ô n g ti n có ị đặc t í n h g ây su y hao công suất tín hiệu và gây t r ễ p h a tín h iệ u k h i tru y ề n tin . C ự ly th ô n g tin càng lđn thì độ suy h a o v à tr ề p h a càn g n h iề u . • K h ô i t h u có chức năng thu n h ậ n tín hiệu ti n tứ c từ môi trư ờ n g th ô n g t i n , tá i tạ o lại tin tức để cung cấp đến nơi n h ậ n tin . K hôi th u có t h ể gồm các p h ầ n khuếch đại tín hiệu điện (đ ể b ù trừ độ suy h ao t r ê n m ô i trư ờ n g th ô n g tin), giải điều chế và g iải m ã hóa (để khôi phục lạ i tin tức gốc ban đầu ở nơi phát), khối c h ọ n lọc k ê n h th ô n g tin (đ ể chọn* lự a đúng tín hiệu từ nguồn tin m à t a m u ô n thu n h ậ n , tro n g k h i m ôi trư ờ n g thông tin có th ể được sử d ụ n g tru y ề n tin đ ồ n g th ờ i c h o n h iề u nguồn tin khác nhaũ). • M ộ t loại tín hiệu phụ nhưng luôn luôn x u ấ t h iệ n và tồ n tạ i tro n g b ấ t kỳ h ệ thống thông tin nào được t h ể h i ệ n bởi khôi n h iề u , can n h iễ u v à các tác n h ân gây méo dạng. Đây là c á c tín h iệ u m à chúng t a k h ô n g m ong muôn n h ậ n được tại nơi t h u tro n g quá t r ì n h tru y ề n tin . C h ú n g có th ể xuất hiện trong môi tr ư ờ n g th ô n g tin dưđi d ạ n g n h iễ u c ộ n g hoặc nhiễu n h â n . Do tín h c h ấ t s u y hao của m ôi trư ờ n g th ô n g t i n , tín hiệu tin tức m à ta muôn tr u y ề n đi có th ể bị suy hao c ô n g suâ't đ ế n mức bị xen lần với các tin h iệ u n h iề u tro n g môi trư ờ n g h o ặ c t ạ i nơi thu. Lúc này, quá tr ìn h th ô n g t i n là t h ấ t 'b ạ i , nơi ^“ n h ậrt t i n k h ô n g t h ể tá i tạo lại tin tức từ nguồn p h á t t ĩ n nữa. - N h iễ u là các tín hiệu không mong muốn, x u â t h iệ n m ộ t cách g frig a u n h i ê n tr o n g môi trường th ô n g tin hoặc từ c á c p h ầ n tử, lin h t h i ế t bị. Nhiễu cộng có t h ể được loại bỏ h o ặ c giảm th iể u h ư ở n g n h ờ các bộ lọc tầ n sô", các bộ xử lý n g ư ỡ n g tạ i nơi thu.
10 CHƯƠNG 1 ĐỸÌ với nhiễu n h â n , q u á t r ì n h xử lý phức tạp hơn nhiều, thường phái sử (lụng các th u ậ t to á n th ứ -v à -s a i (ch ẳ n g hạn, th u ật toán logic mờ, n*ạng neural, chuổi M a rk o v ,...) - Can n h iẻ u là n h iễ u g â y r a b ở i các tác nhân chủ quan của con người, chăng h ạn , n h iề u do t í n h i ệ u từ nguồn p h á t khác, nhiễu do nguồn cung cấp công s u ấ t, n h iễ u do các th iết bị phụ trợ,... Can nhiều xu ất hiện ở các dải t ầ n sỏ* k h á c với d ả i.tầ n số muốn thu, có th ể được loại bỏ dễ d àn g n h ờ các p h é p lọc t ầ n sô thông thường. Tuy nhiên, can nhiễu cùng d ải t ầ n r ấ t k h ó được loại trừ, người ta phải dùng các phép mà hóa nguồn p h ù hợp. - Tác n h â n gây m éo d ạ n g t í n h iệ u thường xảy ra do các phần tử, lin v kiộn tro n g t h i ê t bị k h ô n g có đ ặc tính tuyến tính. Tuy nhiên, điểm khác b iệ t giừa t á c n h â n m é o d ạ n g này với nhiều, can'nhiễu là sư méo dạng chi x ảy r a k h i có t í n hiệu phát. Sự méo dạng có thể được khắc phục nhờ các bộ sứa d ạ n g (equalizer) trong hệ thống thông tin. Trong mô h ìn h h ộ th ố n g t h ò n g tin ỏ hình 1.2, tin tức luôn được truyền đi theo m ộ t c h ie u duy n h ỉ í t từ nguôn phrit tin đến nơi nhận tin , ta có hệ thqtfg th ò n g t i n đ ư n c ù n g
yổ h g q u à ĩ v ế h ệ t h ô n g t h ô n g t in 11 thoại, bảng thòng kênh truyền chi cần khoáng 'MỉHz đến 4kHz, trong khi (tế truyền tín hiệu video dộng, báng thòng kênh truyền phái rộng từ '\MHz đến 6MỈỈZ. Băng thòng kỏnh truyền càng rộng thì tốc độ truvền tin cảng cao, chất lượng truyền tin tức càng tốt nhưng lại gặp các vấn đề sau: - Băng thông quá rộng sè làm hao phí dai tầ n sò có sẩn của kênh truyền, do đó, số lượng luồng thông tin truyền đồng thời trên kênh sè giảm, và hiệu suất sừ (lụng kênh truyền thấp. - Băng thông rộng kóo theo sự ảnh hường cứa nlìỉễu môi trường và các can nhiễu từ kênh truyền ỉân cạn lên kênh thông tin mong muốn. Do đó, trong thực tế, tín hiệu dái nền trưđc khi được đưa vào điều chế hoặc má hóa, thường phái được lọc thông tháp hoặc lọc thông dải dể giới hạn lại dải tầ n số của tín hiệu. Như vậy, ờ nơi thu, ta củng (lùng các bộ lọc thông th ấp hoặc thông dái đổ chọn lọc lấy riêng tín hiệu mong muốn (ở dái tần số định trước), trá n h các can nhiễu từ kênh khác và giảm thiểu ảnh hường cùa nhiễu n ền môi trường. . * Nhiỗu là ảnh hưởng cố hừu, tồn tại trong b ấ t kỳ hệ thống thông tin thực tế nào. Bản th ân vạt liệu môi trường, các phần tử hoặc nguyên tử của vật liộu đều tạo các dao clộng ngầu n h iên hỗn loạn sinh tà nhiễu, ta thường gọi lả nhiễu nhiệt. Các nguồn can nhiễu từ các tác nhân do con người (các đài phát lân cận, các th iế t bị khác đặt trong môi trường thông tin,...) củng là nguồn nhiều cho kênh thông tin. Ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiộu tin tức được đánh giá thông qua ti sô' tín hiệu trê n nhiễu s / N t là đại lượng so sánh giữa công suảt tín hiệu mong muốn với công suất nhiẻu. Khi cự ly thông tin càng lớn, công suất tín hiệu tin tức càng bị suy giảm khi lan truyền trong môi trường thông tin, có th ể giảm đến mức ngang bằng công suất nhiều môi trường. Lúc này, tin tức bị lẫn với nền nhiều và chúng ta không th ể khôi phục lại thông tin bằng các phương pháp thông thường. Giới h ạn băng thông của kênh cho phép tăng ti sô' S/N, nghĩa là chât lượng thông tin của kênh tổng do băng thông bị hạn ch ế (nếu không gây móo dạng đến tín hiệu). Định lý Shannon xác định mối liên quan giửa báng thông B của kônh với tỉ sô S/N thông qua một
12 CHƯƠNG 1 hằng số thông số của kênh, i{v)i lả thông lượng kênh c (channel capacity): c = ổ log ' l + Ẽ -ì ( 1. 1) N) với c là hằng số, khi B tăn g thì S/N giảm và ngược lại. 1.2 ĐIỂU C H Ế VÀ MÃ HÓA Điều chế (modulation) và mà hóa (coding) là hai phương thức căn bản để nâng cao ch ất lượng và độ tin cậy của quá trìn h thông tin. Đây cũng là vân đề chính của tài liệu này: phương thức xử lý, điều chế tín hiệu tương tự, tín hiệu số và các đánh giá về ưu nhược điểm của mỗi phương thức. 2- N g u y ê n lý đ iề u c h ế Trong quá trình điều chế, cần có một sóng mang (carrier) (thường là tín hiệu hình sin hoặc tín hiệu xung tầ n số cao) có tần số cô định và cao JỊiơn nhiều lần so với tầ n sô" tín hiệu điều chế (modulating signal). Tín hiệu điều chế này có th ể là tín hiệu gốc ph át ra từ nguồn tín, hoặc có th ể là tín hiệu đả được biến đổi từ tín hiệu gốc bởi các phép lọc, mã hóa, trộn kênh,... thường được xem là ỏ dải tầ n sô thâp, do đó còn được gọi là tín hiệu đâì nền [baseband). Tín híộu S ó n g mn:vj Tín h iệu Tín hiệu diốu chố M ạch đ ã điổu c h ế đ ả đ ié u c h ế tin tức M ạch giải (Tin hiệu diéu c h ế diéu c h ế (Tín hiệu dải nén) (P h ải) (Thu) d ả i n ển ) ĩ S õ n g m ang Tái tạo só n g m an g (thu kết hợp) H ìn h 1.3 Mô hình khối điều chế (nơi phát) và khối giỏi điều chế (nơi thu) Điều chê là thực hiện sự thay đối thông sỏ' của sổng mang như I biên độ, pha, tần số,... theo sự biến thiên của tín hiệu điều chế (H.1.3). Dạng sóng các loại tín hiệu và mối liên quan giữa chúng trong điều í- chế biên độ ơ hình 1.4 là một ví dụ. ■ Ầ
JONG QUÀ T VẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN 13 a) ^ — 11/ìr úí Ỉlìỉỉíí h ĩ 1I í\ ----- ltĩ\ b) 11 ««1 P c) -ir"'ir> ; N MJ II / ỵị T"ir "\ f' H ìn h 1.4 Dạng sóng tín hiệu điều chế, sóng mang sin oà sóng mang xung sau khi điều ch ế biên độ Quá trìn h điều c h ế phải là quá trìn h có th ể đảo ngược được, có nghĩa là tồn tạ i quá trìn h khôi phục trỏ lại tín hiệu điều ch ế từ sóng m ang đã điều chế, đ ể được tín hiệu dải n ền chứa th ô n g tin. Ta gọi đó là quá trìn h giải điều chế (dem odulating), có mô h ìn h được vẽ ở hình 1.3. Có h ai kiểu giải điều chế: giải điều ch ế k ế t hợp {coherent) và giải điều ch ế không k ế t hợp (non-coherent). Chi tiế t về các phương pháp giải điều ch ế sè được trìn h bày ở các chương sau. Quá trìn h điều c h ế và giải điều ch ế cũng gây r a sự dịch chuyển phổ tín hiệu tr ê n th a n g tầ n số. Thông thường, khi tầ n sô' sóng m ang lớn hơn nhiều lần so với tầ n sô tín hiệu điều chế, quá tr ìn h điều chê sè dịch phổ tầ n lên cao và quá trìn h giải điều chế sê dịch phổ tầ n xuống thấp. 2- C ác lợ i đ i ể m c ủ a đ i ề u c h ế * Điều c h ế cho p h ép tăng hiệu suất thông tin: Nhờ đặc tín h dịch chuyển phổ tầ n số lên cao, tín hiệu sóng mang đả điều ch ế .dễ dàng được tru y ền đi xa hơn, các an ten p h á t và thu có kích thước nhỏ hơn. ị7~ Chẳng h ạn , nêu sóng m ang có tầ n số 100Hz th ì a n te n p h ả i có kích I thưđc 300km (!) t r ong khi sóng Tnaiĩg~ử tần 5Ố~100M H z;antẽn~chỉ~ẽfr — ị i . kích thước dưới lm . * Điểu c h ế cho p h ép tăng băng thông thông tin: Vì tầ n sô" sóng niang thường r ấ t cao n ên tín hiệu sóng m ang đã điều c h ế có dải băng thông có th ể rộng hơn nhiều lần so với dải tầ n sô" của tín hiệu
12 CHƯƠNG 1 hằng số thông số của kênh, i{v)i lả thông lượng kênh c (channel capacity): c = ổ log ' l + Ẽ -ì ( 1. 1) N) với c là hằng số, khi B tăn g thì S/N giảm và ngược lại. 1.2 ĐIỂU C H Ế VÀ MÃ HÓA Điều chế (modulation) và mà hóa (coding) là hai phương thức căn bản để nâng cao ch ất lượng và độ tin cậy của quá trìn h thông tin. Đây cũng là vân đề chính của tài liệu này: phương thức xử lý, điều chế tín hiệu tương tự, tín hiệu số và các đánh giá về ưu nhược điểm của mỗi phương thức. 2- N g u y ê n lý đ iề u c h ế Trong quá trình điều chế, cần có một sóng mang (carrier) (thường là tín hiệu hình sin hoặc tín hiệu xung tầ n số cao) có tần số cô định và cao JỊiơn nhiều lần so với tầ n sô" tín hiệu điều chế (modulating signal). Tín hiệu điều chế này có th ể là tín hiệu gốc ph át ra từ nguồn tín, hoặc có th ể là tín hiệu đả được biến đổi từ tín hiệu gốc bởi các phép lọc, mã hóa, trộn kênh,... thường được xem là ỏ dải tầ n sô thâp, do đó còn được gọi là tín hiệu đâì nền [baseband). Tín híộu S ó n g mn:vj Tín h iệu Tín hiệu diốu chố M ạch đ ã điổu c h ế đ ả đ ié u c h ế tin tức M ạch giải (Tin hiệu diéu c h ế diéu c h ế (Tín hiệu dải nén) (P h ải) (Thu) d ả i n ển ) ĩ S õ n g m ang Tái tạo só n g m an g (thu kết hợp) H ìn h 1.3 Mô hình khối điều chế (nơi phát) và khối giỏi điều chế (nơi thu) Điều chê là thực hiện sự thay đối thông sỏ' của sổng mang như I biên độ, pha, tần số,... theo sự biến thiên của tín hiệu điều chế (H.1.3). Dạng sóng các loại tín hiệu và mối liên quan giữa chúng trong điều í- chế biên độ ơ hình 1.4 là một ví dụ. ■ Ầ
JONG QUÀ T VẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN 13 a) ^— 1 h ú í Ỉlìỉỉíí 1 í\ /ĩìr----- ltĩ\ 1 I 1 b) 11 « «1 P - i r " 'i r > N ; ỵ " ị\ T f '" i r MJ II / c) H ìn h 1.4 Dạng sóng tín hiệu điều chế, sóng mang sin oà sóng mang xung sau khi điều ch ế biên độ Quá trìn h điều c h ế phải là quá trìn h có th ể đảo ngược được, có nghĩa là tồn tạ i quá trìn h khôi phục trỏ lại tín hiệu điều ch ế từ sóng m ang đã điều chế, đ ể được tín hiệu dải n ền chứa th ô n g tin. Ta gọi đó là quá trìn h giải điều chế (dem odulating), có mô h ìn h được vẽ ở hình 1.3. Có h ai kiểu giải điều chế: giải điều ch ế k ế t hợp {coherent) và giải điều ch ế không k ế t hợp (non-coherent). Chi tiế t về các phương pháp giải điều ch ế sè được trìn h bày ở các chương sau. Quá trìn h điều c h ế và giải điều ch ế cũng gây r a sự dịch chuyển phổ tín hiệu tr ê n th a n g tầ n số. Thông thường, khi tầ n sô' sóng m ang lớn hơn nhiều lần so với tầ n sô tín hiệu điều chế, quá tr ìn h điều chê sè dịch phổ tầ n lên cao và quá trìn h giải điều chế sê dịch phổ tầ n xuống thấp. 2- C ác lợ i đ i ể m c ủ a đ i ề u c h ế * Điều c h ế cho p h ép tăng hiệu suất thông tin: Nhờ đặc tín h dịch chuyển phổ tầ n số lên cao, tín hiệu sóng mang đả điều ch ế .dễ dàng được tru y ền đi xa hơn, các an ten p h á t và thu có kích thước nhỏ hơn. ị7~ Chẳng h ạn , nêu sóng m ang có tầ n số 100Hz th ì a n te n p h ả i có kích I thưđc 300km (!) t r ong khi sóng Tnaiĩg~ử tầ n 5Ố~10 0 M H z;antẽn~chỉ~ẽfr — ị i . kích thước dưới lm . * Điểu c h ế cho p h ép tăng băng thông thông tin: Vì tầ n sô" sóng niang thường r ấ t cao n ên tín hiệu sóng m ang đã điều c h ế có dải băng thông có th ể rộng hơn nhiều lần so với dải tầ n sô" của tín hiệu
14________________________ CHƯƠNG 1 I điều chế, với cùng m ột hộ số chọn lọc f j s f mong muôn. Như vậy, m ột k ên h th ô n g tin ơ dái tầ n số siêu cao (vải GHz) có th ế truyền tải . được nhiều kênh tru y ền h ìn h (tổng thời là tín hiệu dải nền có băng - thông rộng n h ấ t, th ậ m chí m ột kênh thông tin laser quang có thể » truyền tả i từ h à n g n g h ìn đến h ả n g triệu kênh truyền hình. ị * Điều c h ế cho p h ép g iả m nhiễu và can nhiễu. Để giảm ảnh ! hưởng của nhiễu hoặc can nhiễu lên tín hiệu tin tức, một khả năng Ị đơn giản là tă n g t h ậ t lớn công su ết p h át tín hiệu sao cho chúng có i th ể vượt qua được mức công su ất nhiễu trong môi trường để truyền I đến được nơi thu (với m ột tỉ số S/N chấp nhận dược). Tuy nhiên,i thực t ế không cho phép tă n g công suất ph át lên quá lớn (do khả năng chịu đựng công su ấ t của lin h kiện thiết bị, do hiệu suất công ; suất đài p h á t quá th ấ p , do sự an toàn,...). Trong trường hợp này, i điều c h ế sóng m an g cho phép giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu mà không tă n g công su ấ t p h át. Bù lại, tín hiệu đã điều chê cần một băng thông k ên h truyền lớn hơn, như đã nói ỏ phần trên. Đây là sự tương nhượng giữa độ rộng băng thông sử dụng với khả năng chống. nhiễu của tín lỳ-ệu. * Điều die. cho p h é p g á n tần số phát: Trong cùng m ột môi trường truyền tin , các k ê n h thông tin có nội dung như nhau có thể sử dụng các dải tầ n số p h á t khác nhau. Điều chế, với chức năng- tương đương như đổi tầ n số’, cho phép xác định tầ n số p h át cho mỗi kênh. Như vậy ở nơi thu, có t h ể tácl} biột tín hiệu muốn thu trong số, nhiều tín hiệu từ các dài p h á t khác nhau thông qua phép lọc tầ n số. * Điều c h ế cho p h cp thực hiện ghép kênh (multiplexing): Ghép kênh được thực h iện khi t a m uôn truyền đi nhiều tín hiệu tin tức ị khác nhau, từ nhiều nguồn p h á t tin khác nhau đến nhiều nơi nhận tin khác nhau, sử dụng cùng m ột môi trường truyền. Ghép kênh có ‘ th ể dưới dạng ghép tầ n số (FDM: Frequency - Division Multiplexing)- hoặc ghép k ên h thời gian (TDM: T im e - Division Multiplexing). • • • .1 3- C á c d ả i t ầ n 8 ố t h ô n g t i n f! H ình 1.5 giới th iệu các phổ tầ n số' hoặc phổ bước sóng hiện đang, được sử dụng cho các h ìn h thức thông tin khác nhau, từ vùng tần số; thấp (điện thoại, điện tín) cho đến tầ n số cao (phát thanh, phát hình)* và đến tầ n số siêu cao (thông tin vệ tinh, radar, truyền số liệu tốc độị cao,.:.). Đồng thời, h ìn h 1.5 cũng liệt kê các môi trường v ật lý khác| nhau phù hợp với các dải tầ n số thông tin khác nhau.
r/f/V QUÁT G VỄ HỆ THỚNG ĩHuNG TIN 15 Dải MỎI tnố ng Kiểu ửng dụng tán sò thỏng !m truyén song - 1 0 0 GHz DỒI EH F 1cm- Thông tin vè tinh Dân đưởng Óng dản sổng Vi ba - 10 GHz Dải SH F Vộ bnh mốl dấl Sóng Radar trực tuyến 10 cnv Dài UHF - 1 GHz U H FTV 10 m. Di dộng, Hồng không Bưđc sổng V H F TV v à FM - 1 0 0 MHz Dải VHF Dí động 10 m- Cáp Sóng Iròỉ đóng trục Phát thanh Dải HF Thương moi - 10 MHz Nghíộp dư l 100 m- Dải tán Phát thanh AM - 1 MHz trung binh MF 1 km- Sông Dải tán Ihấp măt đát Hàng khồng - 100 kH2 LF Hàng hòi 10 km- Oải tổn Dỏy song hành 10 kHz rấl tháp V LF 100 km- Điện thooi. điỏn tín Ảm tán 1 kHz H ìn h 1.5 Phân bố các phổ tần số (hoặc bước sóng) sử dụng trong thông tin
16 CHƯƠNG 1 4- Mã h ó a và các d ặ c đ iế m Mã hóa (coding), được áp dụng cho các nguồn tin tức số, được biểu dien bằng các ký hiệu rời rạc. Mã hóa gồm hai quá trình: quá trìn h mả hóa (encoding) chuyến đổi tin tức số từ nguồn tin thành một chuỗi các ký hiệu theo m ột quy luật nào đó; quá trìn h giãi mà Ị (dccoding) chuyển đổi ngược lại từ các ký hiệu trô về tin tức số theo : quy luật ngược với quy luật mả hóa. Thông thường, nguồn tin tức số \ dưới dạng nhị phân (bit 0 và bit 1) và ký hiệu mã hóa cũng dưới dạng nhị phân. Nói cách khác, mả hóa chuyển đổi từ chuỗi số nhị ; phân này thành ra một chuồi số nhị phân khác. Nếu nguồn tín hiệu có M mức rời rạc, thì mỗi trạng thái của j nguồn có th ể được mã hóa bằng K bits nhị phân sao cho: K ì log2 M (1.2) Vậy, nếu tốc độ xuất hiện các trạn g thái của nguồn là r (r trạng thái xuất hiện trong m ột đơn vị thời gian), thì tốc độ bit nhị phân ị của mã là K.r; nói cách khác, mã hóa cần một băng thông kênh V truyền lớn gấp íỹ lần băng thồng cần th iế t để truyền tín hiệu nguyên { thủy ban đầu. yf,Ạ. I Mã hóa có cấc lợf điểm sau: - Mã hóa, cụ th ể là m ã hóa nhị phân, cho phép xử lý tín hiệu ở các mức rời rạc (hai mức cao và t h í p đối với nhị phân), do đó, mạch điện xử lý đơn giỏn hơn và độ tin c ầ ỷ cao hơn. ---------------------------Ị - Mã hóa cho phép tăn g k hả năng chông nhiễu của tín hiệu. Tùy theo nguyên lý mã hóa ta có th ể có các bộ mã ph át hiện sai hoặc tự sửa sai khi có nhiều trên k ên h truyền làm sai lệch tin tức. - Mă hóa cho phép n én số liệu ph át ra từ nguồn, loại bỏ các trạ n g thái dư thừa, tăng hiệu suất truyền tin. Như vậy có th ể truyền ị được nhiều kênh hơn trong cùng môi trường hoặc truyền tin với tốc ị độ cao hơn. - Mã hóa có th ể cho phép bảo m ậ t thông tin (m ật mã hóa).
G hửi TÍN HIỆU VÀ PHỔ ỉ Các tín hiệu đ iện tro n g thực t ế thường được quan s á t và biểu diễn ở dạng thời gian, chẳn g h ạ n điện áp hoặc dòng điện theo thời gian. Ngoài ra, tín hiệu điện còn có th ể được biểu diễn ở dạng tầ n số, mà ta gọi là phố của tín hiệu. T rong chương này, để khảo sát các đặc tính của tín hiệu biểu diễn ở m iền tầ n sốy phép p h â n tích chuỗi Fourier hoặc phép tíc h p h â n F o u rier là các công cụ căn bản. 2.1 PHỔ TUYẾN TÍNH VÀ CHUỖI FOURIER 2- V e c t o r p h a v à p h ổ t u y ế n t í n h Xét một tín hiệu điện áp v(t) là m ột hình sin th u ầ n túy, biên độ Ay tần số góc w0 và góc p h a b a n đầu O: • v(t) = A c o s (w0t + a>) (2.1) Tín hiệu u(t) được vẽ ở h ìn h 2.1. -------- A H ì n h 2.1 Tín hiệuí hình iệiị *•) 1 -----